張延兵，許世林，顧建平，張 穎，張 維

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210000；2.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；3.東北石油大學(xué)機(jī) 械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

0 引言

電磁超聲檢測是無損檢測領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)，該技術(shù)利用電磁超聲傳感器（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT）能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸檢測。超聲波源直接在檢測對象中產(chǎn)生，回波振幅不受接觸壓力的影響，對表面粗糙度也不敏感，具有精度高、無需耦合劑、適用于高溫檢測以及容易激發(fā)各種超聲波性等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)檢測中，如測厚、探傷、材料晶格結(jié)構(gòu)檢測及材料應(yīng)力檢測等[1-4]。但由于電磁超聲回波信號弱，為增大信號，往往采用較高的增益值，在增大回波缺陷信號的同時(shí)也增大了噪聲信號，這導(dǎo)致信號的信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓電超聲信號。對于這個(gè)問題，目前多采用硬件電路降噪，對于回波信號降噪軟件處理方法的研究并不多[5，6]。硬件降噪有一定的效果，但由于使用環(huán)境多樣以及自動化快速檢測的需要，還需要對缺陷信號降噪處理方法進(jìn)行研究。因此，針對電磁超聲檢測過程中的回波信號含噪問題，采用小波閾值降噪以及基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Em原pirical Mode Decomposition，EMD）的小波閾值降噪方法這兩種方法對電磁超聲信號進(jìn)行降噪處理，并采用信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）及均方根誤差（Root Mean Squard Error，RMSE）這兩個(gè)指標(biāo)作為降噪優(yōu)劣的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，前者越大越好，后者越小越好，從而探究最有效的電磁超聲信號降噪處理方法，以期提升電磁超聲檢測技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用時(shí)信號識別準(zhǔn)確率。

1 降噪方法原理

1.1 小波閾值降噪原理

小波降噪閾值降噪是基于小波分解方法進(jìn)行的。首先，需要選擇合適的小波基和分解層數(shù)來分解噪聲信號，得到了不同的低頻部分及高頻部分，如圖1 所示。噪聲信號往往包含在d1、d2、d3中，小波閾值去噪是按一定的閾值規(guī)則選取閾值后，再處理小波分解系數(shù)，最后重建一些處理后的系數(shù)，得到去噪信號[7]。

圖1 小波分解

目前常用的閾值主要有4 種：rigrsure 閾值、sqt原wolog 閾值、heursure 閾值和minimax 閾值。在決定閾值規(guī)則種類后，需要根據(jù)待處理信號確定閾值重調(diào)方法，有“one”，“sln”，“mln”3 種。閾值判定函數(shù)有硬閾值及軟閾值兩種。

1.2 EMD 原理

EMD 也是將信號分解成相互獨(dú)立的不同成分，與小波分解及傅里葉變換不同的是其不需要基函數(shù)。主要依靠自身在時(shí)域上的信號特征進(jìn)行分解，具有一定的自適應(yīng)性，適用于不同類型的信號分解。分解得到的不同的imf 分量中的高頻分量通常被視為噪聲，剔除這些成分之后進(jìn)行重構(gòu)達(dá)到降噪的目的，然而，這些分量中容易出現(xiàn)模態(tài)混疊的現(xiàn)象，因此提出了集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Ensemble Empirical Mode Decom原position，EEMD）。EEMD 的主要原理是將白噪聲添加到信號中形成新信號，然后執(zhí)行EMD 分解，以獲得imf 分量，然后繼續(xù)添加新的白噪聲，重復(fù)分解，最終將得到的imf 分量做平均[8]。EMD 和EEMD 用于分解信號，然后使用小波閾值對分量進(jìn)行去噪。

2 電磁超聲信號降噪效果對比

由于使用實(shí)際電磁超聲檢測信號無法獲得真實(shí)不含噪信號，因此此處分析釆用對比處理后信號有用成分幅值及無回波位置信號平穩(wěn)性作為對比方案。含噪信號釆用實(shí)際電磁超聲回波信號，使用超聲波標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-I-A，將傳感器放置在試塊上方，對準(zhǔn)試塊圓弧的圓心，測量100 mm 圓弧，微微調(diào)整使得波形出現(xiàn)，傳感器測試方法如圖2 所示。測量過程采用的自發(fā)自收模式，記錄下回波波形，如圖3（a）所示。對波形進(jìn)行FFT 變換,得到頻域圖如圖3（b）所示。為了便于展示，將頻域圖的縱坐標(biāo)幅值歸一化，歸一化處理公式如下：

圖2 傳感器測試實(shí)驗(yàn)

圖3 實(shí)際含噪電磁超聲信號

式中x為原始值，y為歸一化后的值。后續(xù)使用兩種方法分別對該波形進(jìn)行降噪處理。

2.1 基于小波閾值降噪方法評價(jià)分析

圖4（a）是使用sqtwolog 和minimax 閾值進(jìn)行小波閾值降噪處理后的信號，使用“db4”小波，分解為4層，使用“mln”重調(diào)方法和軟閾值函數(shù)。圖（a）中顯示，2 種閾值均能很好地去除信號中的噪聲，使用mini原max 閾值時(shí)對信號造成的損失最小，信號幅值仍有760 mV，大于使用sqtwolog 時(shí)的740 mV，仍能保持較好的信號幅值。圖4（b）顯示，在處理后的信號中高于3 MHz 的部分被去除，保留了激發(fā)頻率附近區(qū)間的信號成分。說明該方法保留低頻率成分，去除高頻率成分。使用minimax 閾值時(shí)，信噪比SNR 和均方根誤差RMSE 的值分別為8.7582 和0.8158，而使用sqtwolog閾值規(guī)則時(shí)，信噪比SNR 和均方根誤差RMSE 的值分別為7.1590 和0.9807，進(jìn)一步表明使用minimax 閾值規(guī)則時(shí)，信號的降噪效果更好。

圖4 不同閾值方法小波閾值降噪處理后的信號

2.2 基于EMD 和EEMD 的小波閾值降噪

使用基于EEMD 的小波閾值降噪方法處理后的信號（圖5（a）），使用minimax 閾值，其余設(shè)定與前文小波降噪一致。圖5（a）中顯示，此方法能良好地去除信號中的噪聲，而且保留了原始信號有用成分，能量沒有損失，仍為830 mV。圖5（b）顯示，該方法相對于前兩種，對于不同頻率信號的處理效果結(jié)合了二者的特點(diǎn)，去除高于3 MHz 的信號成分，也降低了激發(fā)頻率附近區(qū)間的能量。此時(shí)降噪后信號的信噪比SNR和均方根誤差RMSE 分別為10.2420 和0.6877，相較于小波閾值降噪方法，信號的降噪效果進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 基于EEMD 的小波閾值降噪處理后的信號

通過以上兩種方法的對比，可以發(fā)現(xiàn)小波閾值方法能夠去除電磁超聲檢測信號中的噪聲，但是對信號能量有一定的損失，使用基于EEMD 的小波閾值降噪方法能夠良好降噪，并且保留有用成分，便于后期檢測的閾值判定。

3 結(jié)語

針對電磁超聲信號噪聲多的問題，使用信噪比及均方根誤差兩個(gè)性能指標(biāo)評價(jià)了兩種不同的信號降噪方法，將之應(yīng)用于實(shí)際電磁超聲信號降噪效果對比，發(fā)現(xiàn)小波閾值降噪方法會造成信號能量損失，而將信號EEMD 處理后，再使用小波閾值降噪方法處理之后得到分量進(jìn)行重構(gòu)，能夠在保留缺陷回波信號有用成分的幅值不變的同時(shí)，很好地消除了信號中的噪聲。